美國國家強磁場實驗室發(fā)電機電源，兩層樓高，巨大的飛輪儲能，瞬間放電——本是核聚變實驗用的，100T紀錄的第二大功臣。中國電源則分3部分：發(fā)電機電源(功率不到美國的1/10);20幾個電容儲能型電源模塊;鉛酸蓄電池組。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，僅使用幾個電容儲能型電源模塊，就疊加出90.6T的磁場脈沖峰值。美國實現(xiàn)100T需115兆焦耳能量，中國實現(xiàn)90T只用10兆焦。

2018年12月初，武漢國家脈沖強磁場科學(xué)中心，一次次電磁風(fēng)暴的襲擊，讓物質(zhì)被迫吐露不為人知的秘密。最先進的電源、磁體和控制系統(tǒng)，打造了這一世界頂尖水平的強磁場裝置。

“磁場與電流成正比，而磁體承受的力和熱，與磁場的平方成正比。所以越往上走越難。就好像百米跑從9.9秒提高到9.8秒那樣難。”國家脈沖強磁場科學(xué)中心主任李亮說。

“美國從70T(特斯拉)到90T走了20年，德國用了15年，中國則是4年。”李亮說。

中國電源便宜又強大

李亮曾在歐洲和美國工作多年，1992年以來世界上最強的磁體大多有他參與設(shè)計。

“我們是彎道超車。”李亮說，“我們從無到有，總結(jié)各家的經(jīng)驗，所以設(shè)計的整體性、系統(tǒng)性更強。”

美國國家強磁場實驗室發(fā)電機電源，兩層樓高，巨大的飛輪儲能，瞬間放電——本是核聚變實驗用的，100T紀錄的第二大功臣。

中國電源則分3部分：發(fā)電機電源(功率不到美國的1/10);20幾個電容儲能型電源模塊;鉛酸蓄電池組。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，僅使用幾個電容儲能型電源模塊，就疊加出90.6T的磁場脈沖峰值。美國實現(xiàn)100T需115兆焦耳能量，中國實現(xiàn)90T只用10兆焦。

專攻電源的丁洪發(fā)教授說：“幾十個模塊的開關(guān)時間差要限制在微秒級。元器件也要篩選，讓電路的延遲一致。”

2008年開工建設(shè)，大部分設(shè)備自研自造，國產(chǎn)化率85%。“人家是外包給專業(yè)公司，我們是自己動手。”李亮說。

每組電容儲能型電源100萬元。整個電源系統(tǒng)投入僅是美國人的一個零頭。液氦回收系統(tǒng)只有國外同類設(shè)備1/4的價格，回收的氦氣每年可節(jié)約500萬—600萬元實驗消耗。

脈沖平頂磁場十分重要，但美國人做平頂脈沖磁場，一年只能使用50—60次。中國人改進了電源和控制系統(tǒng)，則像開微波爐一樣簡單。

“國際專家說我們花了1.2億元，干了1.2億美元的活兒。”李亮說。

測量需要極端精細

2013年10月，在全世界專家的見證下，中國裝置首秀成功。國際權(quán)威報告說：中國的磁體和電源技術(shù)世界頂級;控制系統(tǒng)國際領(lǐng)先。

雖然最高磁場紀錄不及美國，但中國裝置優(yōu)勢明顯——一套中央控制系統(tǒng)實現(xiàn)3類電源和8個實驗站的靈活組合。這是中國磁場的一個殺手锏，更有利實驗。控制系統(tǒng)負責(zé)人韓小濤教授說：“別人都是一個磁體發(fā)一種波形。我們的可以一個磁體產(chǎn)生多種波形。”

美國在2013年實現(xiàn)了100.75T，德國實現(xiàn)94T，中國也以90.6T成為90T俱樂部的一員。而目前有望刷新紀錄的只有美、中。

強磁場將考問出新的物質(zhì)特性，催生下一代電子材料和芯片。朱增偉教授說：“半金屬比如鉍和銻，適合放在強磁場下研究極端情況。”

2018年11月，北京大學(xué)發(fā)現(xiàn)“對數(shù)量子震蕩”，實驗就在武漢做。在58T磁場下清晰觀測到5個振蕩，才得以發(fā)現(xiàn)對數(shù)規(guī)律。

強磁場的“風(fēng)暴眼”只有20毫米長，在杏仁大小的空間里布置所有的樣品和感應(yīng)器，跟微雕差不多。

“渦流、熱效應(yīng)、震動、電磁干擾……測量永遠伴隨噪音。”左華坤工程師說。

想一次測出高質(zhì)量信號難，因為干擾因素太多。樣品桿浸泡在液氦里，還跟外面隔著一層真空，但線圈一瞬間的高溫，仍然會造成樣品零點零幾度的熱擾動。傳感器的線路在脈沖磁場的作用下，也可能震動幾個微米產(chǎn)生噪聲。

還有很多不可測因素，比如地線“零”電壓的不穩(wěn)定，濕度差異，都可能造成測量結(jié)果不同。

“如果不這樣難測，那些物理難題也就不會遺留到現(xiàn)在了。”左華坤說，論電磁測量精度武漢國家脈沖強磁場科學(xué)中心已不弱于任何同行。

“中心建成后，不僅國內(nèi)科學(xué)家基本不再去國外做實驗了，還吸引了劍橋、斯坦福等眾多國外用戶。”李亮說。

線圈使用壽命超出國際同行近1倍

1820年，丹麥人奧斯特?zé)o意間發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)線通電，附近的小磁針會跳動。從此，人們一直在用通電線圈來制造磁場。瞬間強電流產(chǎn)生的幾毫秒時間的強磁場，叫做脈沖強磁場，它比穩(wěn)態(tài)磁場更高。

國家脈沖強磁場科學(xué)中心的研究人員告訴我們：他們用小指頭粗細的導(dǎo)線，繞成線圈，接上2.5萬伏特的電壓，流過4萬安培的瞬間電流，就可以產(chǎn)生幾十T的脈沖磁場。

但通電線圈會被磁體內(nèi)部應(yīng)力拉長和壓扁。李亮說，他們的線圈承受的應(yīng)力，是“蛟龍”號在7000米海底面臨壓強的50倍。而且磁體在放電過程中會產(chǎn)生巨大熱量，線圈泡于液氮以降溫;通電瞬間零下200攝氏度的液氮砰地蒸發(fā)掉。

幾個毫秒內(nèi)通入磁體的能量如10公斤TNT的能量，線圈經(jīng)常被炸碎。俄羅斯和日本科學(xué)家先后用極端辦法制造過上千T的磁場，那也是目前人類取得的最強磁場。但必須犧牲線圈，是一次性的，磁體線圈無法重復(fù)利用。

美國國家強磁場實驗室創(chuàng)紀錄的線圈用的是銅鈮合金，最結(jié)實——100T磁場紀錄的最大功臣。中國團隊則使用國內(nèi)自主研發(fā)的銅鈮合金，強度僅為前者2/3。

中國人另辟蹊徑，從理論分析挖掘潛力，通過精確計算，大幅提升高分子纖維層層纏繞加固的效果，就像鐵環(huán)箍住炮筒。它比凱夫拉還結(jié)實，是世界上最強韌的纖維。纖維浸泡環(huán)氧樹脂，也充當線圈的絕緣層。

彭濤教授專職繞線。“如果浸泡樹脂不夠充分，反光是不同的。”彭濤說，從線圈的紋路和顏色，老手能看出瑕疵。瑕疵讓線圈更早崩潰。

美國磁體線圈直徑一米，比中國的大很多，應(yīng)力更低，不易壞，但美國線圈平均通電500次就會壞掉;彭濤做的線圈可使用800次。

原標題:世界領(lǐng)先的強磁場 中國人這樣建